■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院
電動概念正從汽車產(chǎn)業(yè)向航空產(chǎn)業(yè)席卷而來,相應(yīng)的航空發(fā)動機(jī)制造商也在一定程度上展現(xiàn)了不同的應(yīng)對策略。什么時候正式進(jìn)軍電動領(lǐng)域?是直接全電動推進(jìn),還是先混合電推進(jìn)再全電動推進(jìn)?電池技術(shù)的進(jìn)步能否跟上混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展速度?
當(dāng)下,航空界似乎越發(fā)彌漫著一種“電動概念”焦慮,急切地想要突破電動技術(shù)并使之商業(yè)化,生怕落在競爭對手后面喪失對市場的話語權(quán)。這一方面是由于人們對電氣化飛行高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)保低噪的認(rèn)知日益深刻,另一方面則源自特斯拉公司引領(lǐng)汽車行業(yè)開啟革命性變化所帶來的現(xiàn)實沖擊。
考慮到未來電動飛機(jī)在飛發(fā)一體化設(shè)計上具有前所未有的靈活性,航空產(chǎn)業(yè)將不可避免地出現(xiàn)像汽車那樣“整機(jī)化”的研發(fā)模式,在孕育類似特斯拉這種行業(yè)新玩家的同時,傳統(tǒng)飛機(jī)制造商的主導(dǎo)優(yōu)勢仍將長期存在。波音公司和空客公司已經(jīng)不約而同地把混合電推進(jìn)系統(tǒng)作為2030年前后客機(jī)的動力選項,不僅投入了大量資金推動相關(guān)研究計劃,而且還積極收購有發(fā)展?jié)撃艿某鮿?chuàng)公司進(jìn)行深度布局,力爭在未來電動飛行的低成本運(yùn)營、舒適度體驗、輿論媒介導(dǎo)向乃至政策法規(guī)制定上搶占先機(jī)。
電動飛機(jī)發(fā)展大事記(2015—2019年)
然而,面對未來電氣化飛行的出現(xiàn)、推廣乃至普及,傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)制造商所面臨的考驗和挑戰(zhàn)與飛機(jī)制造商是截然不同的。雖然整機(jī)化的發(fā)展趨勢降低了發(fā)動機(jī)制造商獨立研發(fā)飛機(jī)產(chǎn)品的門檻,但從根本上說電推進(jìn)系統(tǒng)改變的是飛機(jī)的動力裝置,其對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)潛在的“降維競爭”存在著劇烈變革未來航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的可能性。從1960年第一型渦扇發(fā)動機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營開始,GE公司、普惠公司和羅羅公司既是當(dāng)代民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步最大的開拓者,也理所應(yīng)當(dāng)?shù)爻蔀榱似涫袌霭l(fā)展最大的受益者。近10年來,在LEAP和PW1000G鏖戰(zhàn)窄體飛機(jī)動力市場、銷量屢破紀(jì)錄,遄達(dá)XWB、遄達(dá)7000、GEnx和GE9X競相逐鹿寬體飛機(jī)動力市場的大背景下,很難想象屬于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的時代即將結(jié)束,自然也并不是所有深耕航空動力這一領(lǐng)域的企業(yè)都認(rèn)為當(dāng)下是進(jìn)入電氣化飛行市場的合適時機(jī)。
2019年1月,羅羅公司公布了旨在打造世界最快速全電動飛機(jī)的“加速飛行電氣化”(ACCEL)計劃。借助英國政府資助,羅羅公司引入了電動機(jī)和控制器制造商YASA以及航空初創(chuàng)企業(yè)Electroflight公司共同推進(jìn)計劃的實施,通過驗證高能量電氣系統(tǒng)在試驗飛行器上的應(yīng)用,為未來全電氣化飛行做技術(shù)儲備。按照羅羅公司的構(gòu)想,該單座全電動飛機(jī)的研發(fā)周期為24個月,預(yù)計于年內(nèi)完成環(huán)境驗證測試,到2020年可進(jìn)行試飛,欲以480km/h的飛行速度打破由西門子電動飛機(jī)在2017年創(chuàng)造的338km/h的速度紀(jì)錄。而為了實現(xiàn)這一宏偉愿景,在電池、電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面的重大革新是不可或缺的。
雖然具體的參數(shù)尚未透露,羅羅公司宣稱ACCEL飛機(jī)將采用由超過6000個單元體組成的當(dāng)今世界上最高能量密度的飛行電池組,存儲的電能可以承擔(dān)從倫敦到巴黎的320km左右的飛行距離。飛機(jī)的螺旋槳由YASA公司制造的3臺750R輕型電動機(jī)驅(qū)動,推進(jìn)功率不低于375kW,與傳統(tǒng)飛機(jī)相比其槳葉轉(zhuǎn)速有所降低,但運(yùn)轉(zhuǎn)會更加平穩(wěn)、更加安靜。飛機(jī)全電傳動系統(tǒng)的工作電壓預(yù)計為750V,在零污染排放的同時實現(xiàn)高達(dá)90%的效率。此外,羅羅公司還將利用先進(jìn)傳感器收集ACCEL飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù),每秒鐘監(jiān)測2萬個數(shù)據(jù)點,對電池電壓、溫度和用以驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生推力的傳動系統(tǒng)的整體健康狀況進(jìn)行動態(tài)掌控。
無論是高能量密度電池、先進(jìn)儲能管理系統(tǒng),還是電動飛機(jī)的總體設(shè)計、部件設(shè)計,ACCEL計劃所開展的技術(shù)驗證對于羅羅公司后續(xù)電動垂直起飛和著陸(eVTOL)飛行器的研發(fā)有著重大意義。作為近年來隨著城市交通發(fā)展而產(chǎn)生的新概念飛行器,有著“空中出租車”之稱的eVTOL飛行器受到了業(yè)界的格外關(guān)注,相關(guān)預(yù)測甚至認(rèn)為到2035年其市場需求將達(dá)到50萬架,總市場空間超過700億美元。在2018年的范堡羅航展上,羅羅公司就展示了其混合動力eVTOL飛行器概念,這也是該公司有史以來第一次涉足飛機(jī)整機(jī)設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域。通過與汽車制造商阿斯度馬丁公司以及克蘭菲爾德大學(xué)的合作,利用經(jīng)典的M250燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生300~400kW電能為電池系統(tǒng)充電,從而帶動電動機(jī)為可供4~5人乘坐、飛行速度為400km/h的通航飛行器——Volante Vision概念機(jī)提供動力。羅羅公司期望在2025年左右實現(xiàn)混合動力eVTOL飛行器的商業(yè)運(yùn)營,據(jù)稱其每年的市場價值將不少于12億美元。
AACEL演示樣機(jī)(來源:羅羅公司)
E-FanX驗證機(jī)(來源:空客公司)
除了ACCEL計劃和eVTOL飛行器所瞄準(zhǔn)的通航市場外,羅羅公司對于大中型商用電動飛機(jī)市場也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。2017年年底,羅羅公司開始與空客公司、西門子公司共同開發(fā)E-FanX演示驗證機(jī),用于評估支線客機(jī)的混合電推進(jìn)可行性,重點為2MW電動機(jī)的研發(fā)提供技術(shù)支持。事實上,空客公司與西門子公司早在2016年4月就已經(jīng)著手組建了一支約200人的聯(lián)合團(tuán)隊,共同研發(fā)功率等級從100 kW~10 MW的各型航空發(fā)動機(jī),為短途飛機(jī)、直升機(jī)和無人機(jī)提供動力??湛凸旧踔帘硎?,可運(yùn)送超過100名乘客到1000km以外目的地的混合動力飛機(jī)將在2030年前成為現(xiàn)實。如果說全電飛行器在以城市空中交通為代表的通用航空領(lǐng)域更容易搶占先機(jī)的話,那么針對有效載荷、速度和航程都較大的商用運(yùn)輸飛行需求,從空客A350、波音787等多電飛機(jī)逐步向未來混合電動飛機(jī)演進(jìn)成為了業(yè)界公認(rèn)的趨勢。
當(dāng)然,傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)制造商對于電動飛行市場的觀望并不是一成不變的。就在羅羅公司全面鋪開電動飛機(jī)研發(fā)的同時,其他發(fā)動機(jī)制造商也紛紛啟動了有針對性的電動飛行研究計劃。事實上,如果羅羅公司真的通過ACCEL計劃在電推進(jìn)系統(tǒng)上取得跨時代的進(jìn)步,其他傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)制造商必然會快步跟進(jìn),這似乎也是奔馳、寶馬這些老牌汽車巨頭應(yīng)對電動汽車市場興起時采用過的策略。一方面,現(xiàn)存技術(shù)終究有發(fā)展到極致的時候,未來發(fā)展的潮流只能由像特斯拉那樣敢于“吃螃蟹”的公司去引領(lǐng)和推動;另一方面,只要順勢而為,傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)也會有足夠的時間去調(diào)整與適應(yīng)。毫無疑問,電動飛機(jī)不會一出現(xiàn),就在一夜之間占領(lǐng)整個航空市場。
2019年3月,聯(lián)合技術(shù)公司(UTC),普惠公司的母公司,啟動了804計劃,預(yù)期在3年內(nèi)完成一架混合電動支線客機(jī)X-Plane的研制和試飛,將當(dāng)前多電技術(shù)從千瓦量級提升到兆瓦量級,同時全面驗證混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行商業(yè)使用的經(jīng)濟(jì)可行性。該驗證機(jī)將龐巴迪“沖”8-100飛機(jī)一側(cè)的發(fā)動機(jī)改裝為總功率為2MW的混合電推進(jìn)系統(tǒng),在飛機(jī)起飛和爬升期間增加其動力,并對飛行不同階段發(fā)動機(jī)的工作模式進(jìn)行優(yōu)化。通過合適的混合動力策略,UTC預(yù)期X-Plane可在航程為370~460km的飛行中節(jié)省約30%的燃油消耗。
在與NASA合作開展混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)的同時,GE公司立足于其自身固有電動機(jī)產(chǎn)品積淀,發(fā)力混合電推進(jìn)基礎(chǔ)技術(shù)研究。2017年8月,GE公司發(fā)布了混合電推進(jìn)系統(tǒng)重大項目研究白皮書,展示了其在發(fā)電和電動機(jī)兩方面的主要技術(shù)突破。通過改裝F110發(fā)動機(jī)核心機(jī)抽取壓縮空氣,GE公司提取到了1MW的電力,其中低壓渦輪占比達(dá)到了75%,這也是工業(yè)界第一次嘗試從雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的低壓部件提取功率。不僅如此,利用提取的電力驅(qū)動螺旋槳的1MW電機(jī)效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的98%,這意味著該電動機(jī)僅產(chǎn)生了20kW的熱損失,而同等的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱損失一般在100kW以上。
賽峰公司研制的混合電推進(jìn)系統(tǒng)(來源:航空周刊)
霍尼韋爾公司研制的混合電推進(jìn)系統(tǒng)(來源:航空周刊)
賽峰公司則與貝爾公司合作開發(fā)了適用于城市空中運(yùn)輸?shù)墓蚕韊VTOL飛行器Nexus,該飛行器被納入了美國優(yōu)步公司的Uber Elevate城市交通體系,也是該體系內(nèi)唯一的混合電動飛行產(chǎn)品。通過對阿赫耶渦軸發(fā)動機(jī)的改造,賽峰公司打造的這款混合電推進(jìn)系統(tǒng)主要由基于渦輪發(fā)電機(jī)的電能系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)和用于產(chǎn)生推力的電動系統(tǒng)組成,預(yù)計將于2021年上半年試飛,屆時其輸出功率將達(dá)到600kW,直接使用成本(DOC)較當(dāng)前同等功率量級渦軸發(fā)動機(jī)下降一半以上。此外,賽峰公司也在為Zumum Aero公司設(shè)計的航程1100km、不超過12座的ZA10飛機(jī)開發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng),以改進(jìn)后的阿蒂丹3Z發(fā)動機(jī)為500kW發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ),與飛機(jī)電池系統(tǒng)共同驅(qū)動兩臺電動涵道風(fēng)扇產(chǎn)生動力,計劃于2019年年底前完成地面測試。
與賽峰公司類似,霍尼韋爾公司同樣將目光瞄準(zhǔn)了未來城市空中交通市場,認(rèn)為發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化設(shè)計將在混合電推進(jìn)領(lǐng)域最先得到應(yīng)用,其正在研發(fā)的原型系統(tǒng)結(jié)合了HTS900渦軸發(fā)動機(jī)和兩臺200kW的高功率密度發(fā)電機(jī),預(yù)計在2025年前后即可投入商業(yè)應(yīng)用。在兆瓦級發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)上,霍尼韋爾公司表示其設(shè)計已完成了90%,后續(xù)將重點關(guān)注影響系統(tǒng)功率密度的熱管理問題,系統(tǒng)的最終目標(biāo)是轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%。
1973年,第一架載人全電動飛機(jī)在奧地利進(jìn)行了長約10min的驗證飛行。40多年過去了,電動機(jī)推進(jìn)功率從當(dāng)時的15kW足足提升了20倍,但從鎳鎘電池到如今最先進(jìn)的鋰鐵電池,其能量密度僅僅提升了不到5倍。以最新型的特斯拉Model S電動汽車為例,其170W·h/kg的電池能量密度仍僅相當(dāng)于航空煤油的1.5%。更為悲觀的是,鋰離子動力電池的發(fā)展似乎接近了“天花板”,目前其能量密度只有7%~8%的年化增長率。2018年,我國863計劃節(jié)能與新能源汽車項目總體組專家肖成偉曾公開表示,高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)在300W·h/kg左右,國家動力電池技術(shù)路線圖規(guī)劃的2020年達(dá)到350W·h/kg能量密度的目標(biāo)很可能無法實現(xiàn)。美國《連線》科技期刊認(rèn)為,即使不考慮電動機(jī)和電力電子設(shè)備(如逆變器)的功率密度要求,實現(xiàn)2h左右短途商業(yè)飛行至少需要1000W·h/kg的動力電池,是當(dāng)前多電飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用水平的6倍多,而如此巨大的差距是任何單純的電動機(jī)效率提升都無法彌補(bǔ)的。顯然,在電池技術(shù)發(fā)展仍不明朗的情況下,用“發(fā)電裝置+電動機(jī)”的混電模式代替“儲能裝置+電動機(jī)”的全電模式將是實現(xiàn)電氣化商業(yè)飛行最可行的一個方案。
全球全電動汽車(BEV)與插電混動汽車(PHEV)市場保有量與增長率(來源:國際能源署報告)
混合電動飛機(jī)是否如宣傳的那樣,能夠完美地集成燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和電推進(jìn)系統(tǒng)二者的優(yōu)勢,在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為航空市場的主宰力量,似乎并不是一個單純的技術(shù)問題,混合電動飛機(jī)的市場前景與其說依賴其自身的技術(shù)成熟與否,倒不如說是取決于未來電池技術(shù)進(jìn)步的速度。還是以汽車行業(yè)為例,雖然2010年插電混動汽車投入市場后短期內(nèi)取得了理想的市場份額,但截至2017年無論是保有量還是增長率與全電動汽車相比仍有不小的差距,而也正是在這段時間鋰離子動力電池技術(shù)徹底成熟并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,其能量密度的年化增長率超過了15%。一旦10年之內(nèi)鈉離子陰極電池(650W·h/kg)、鎂離子電池(750W·h/kg)、鋰空氣電池(超過2000W·h/kg)這些跨時代的電池技術(shù)取得突破,市場風(fēng)口將徹底轉(zhuǎn)向,首先面臨退出歷史舞臺危機(jī)的不是擁有巨大存量和近百年技術(shù)積淀的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī),而很可能是處于不上不下尷尬境地的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。
一個有意思的事實是,雖然羅羅公司基于M250發(fā)動機(jī)的混動eVTOL飛機(jī)仍將是傳統(tǒng)混動汽車構(gòu)架(即HEV,電池完全由發(fā)動機(jī)供電,不具備外接電源充電的能力,在我國被歸為“節(jié)能汽車”而非“新能源汽車”),卻采用了串聯(lián)能量通路而非當(dāng)前汽車行業(yè)中更為普遍使用的并聯(lián)通路。發(fā)電機(jī)直接供電也好,電池先充電再放電也罷,eVTOL飛機(jī)的推進(jìn)單元只能由電動機(jī)驅(qū)動,并不存在電推進(jìn)與燃?xì)馔七M(jìn)之間所謂的模態(tài)轉(zhuǎn)換。顯然,這種串聯(lián)通路帶有鮮明的過渡色彩,在設(shè)計架構(gòu)上盡可能地體現(xiàn)了電力驅(qū)動這一理念,更接近未來的全電動飛機(jī)。而如果打算長期耕耘混合電推進(jìn)市場,更能夠發(fā)揮燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)性能優(yōu)勢的并聯(lián)通路似乎才是更為合理穩(wěn)妥的選擇。
普惠公司負(fù)責(zé)技術(shù)與環(huán)境事務(wù)的副總裁阿蘭·愛潑斯坦在2016年表示,在出現(xiàn)技術(shù)“奇跡”之前,具有商業(yè)價值的電動飛行幾乎是不可能出現(xiàn)的。而所謂技術(shù)“奇跡”的核心就是高能量密度電池技術(shù)的重大突破。以波音737飛機(jī)為例,支持其正常飛行所需的能量最少需要10MW,這一數(shù)字達(dá)到了羅羅公司ACCEL計劃中“創(chuàng)紀(jì)錄”375kW功率的26倍之多。GE公司雖然在2017年就宣布其新型兆瓦級電機(jī)的設(shè)計效率從90%提升到98%,但這一鼓舞人心的消息之后卻始終沒有更進(jìn)一步的電動飛行方案推出。完善的全電推進(jìn)系統(tǒng)不僅僅意味著要有高效的電動機(jī),電池技術(shù)才是限制未來全電飛行的瓶頸,而這一問題似乎并不該單純地依靠傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)制造商去解決。
從內(nèi)在說,燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)仍在蓬勃發(fā)展,市場價值屢創(chuàng)新高,在相當(dāng)一段時期仍將支配著航空動力市場,也是傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)制造商不可動搖的立身之本;從外在說,電池技術(shù)已經(jīng)成為制約未來電動飛機(jī)發(fā)展的最大障礙,混合電推進(jìn)系統(tǒng)幾乎是實現(xiàn)當(dāng)下商業(yè)電氣化飛行唯一的動力選擇,但混合電動飛機(jī)的市場前景更多地取決于2030年前動力電池技術(shù)能否取得前所未有的突破。在航空動力市場電氣化變革暗流涌動的大勢下,傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)制造商的戰(zhàn)略抉擇將迎來空前的挑戰(zhàn)與考驗。